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1、章化学与材料的发展,节无机非金属材料,新课标人教版化学课件系列,选修2化学与技术,教学目标,1、了解传统的硅酸盐工业的生产特点，知道其生产原理和产品的主要成分。 2、 能举例说明无机非金属材料的特点。 3、 讨论社会发展和科技进步对材料的要求，认识化学对材料科学发展的促进作用。,新型无机非金属材料,定 义：,特 性：,种 类：,具有特殊结构和特殊功能（性质）的新材料。,能承受高温、强度大：氮化硅陶瓷（耐1200OC) 具有光学特性：光导纤维 具有电学特性：K3C60超导体 具有生物功能：如Ca3(PO4)2系陶瓷,用 途：,氮化硅陶瓷,光导纤维,医学、日常生活、交通、通讯、机械、建筑 航空、航
2、天等,二、新型无机非金属材料,新型无机非金属材料,传统无机非金属材料与新型材料的比较,传统的硅酸盐材料优、缺点,优点：抗腐蚀、耐高温； 缺点：质脆、经不起热冲击。,新型无机非金属材料特性,承受高温，强度高。 具有光学特性。 具有电学特性。 具有生物功能。,新型无机非金属材料,新型无机非金属材料的特性,（1）.能承受高温、强度高。 例如：氮化硅陶瓷在1200左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。,新型无机非金属材料,（2）.具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。,新型无机非金属材料,（3）.具
3、有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。,处于高温下的光导纤维,新型无机非金属材料,（4）. 具有生物特性。有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。,人造关节,新型无机非金属材料,新 型 陶 瓷 材 料,习惯上把陶瓷(ceramics)分为传统陶瓷和特种陶瓷。 传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿物为原料经烧结而成的。 特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。,新型陶
4、瓷,碳化硅SiC,俗称金刚砂。熔点高(2450),硬度大(9.2),是重要的工业磨料。如其中掺入某些杂质,会使之出现半导体,作为高温半导体,用于电热元件。作为高温结构陶瓷,日益受到人们的重视。它最适宜的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的环境,现已用作火箭喷嘴,热电偶保护管,热交换器和耐磨、耐蚀的零件。,碳化硅制成的涡轮叶片,1、新型陶瓷,新型陶瓷,氮化硅陶瓷（Si3N4 ） 是灰白色固体，硬度为9，是最硬的材料之一。它的导热性好且膨胀系数小，可经受低温高温、骤冷骤热反复上千次的变化而不破坏，因此是十分理想的高温结构材料。,新型陶瓷,科技人员发现，如果用耐高温的陶瓷，如氮化硅陶瓷等代替合金钢制造陶瓷发
5、动机，其工作温度可达13001500。 美国军方曾做过一次有趣的实验：在演习场200米跑道的起跑线上，停放着两辆坦克，一辆装有500马力的钢质发动机，而另一辆装有同样马力的陶瓷发动机。陶瓷发动机果然身手不凡，那辆坦克仅用了19秒钟就首先到达终点，而钢质发动机坦克在充分预热运转后，用了26秒才跑完全程。其奥秘就在于陶瓷发动机的热效率高，不仅可节省30的热能，而且工作功率比钢质发动机提高45以上。另外，陶瓷发动机无需水冷系统，其密度也只有钢的一半左右，这对减小发动机自身重量也有重要意义。,新型陶瓷,氧化铝陶瓷,性 能,用 途,熔点高,坩埚、高温炉管,硬度大,刚玉球磨机,透明、耐高温,高压钠灯灯管,
6、新型陶瓷,高纯氧化铝透明陶瓷管,新型陶瓷,高压钠灯,新型陶瓷,交流,1、新兴陶瓷材料具有那些优良的性能？ 2、碳化硅结构同硅相似，分析其可能的性质。 3、写出制取碳化硅、氮化硅的化学反应方程式。,SiO2+3C=SiC+2CO 3Si+2N2=Si3N4 3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl,原子晶体,新型陶瓷,功能陶瓷(functional ceramics)材料是以特定的性能或通过各种物理因素（如声、光、电、磁）作用而显示出独特功能的材料。,功能陶瓷,新型陶瓷,TiO2、 ZrO2 、 LaCrO3 等高温电子陶瓷，用于制造电容器和电子工业中的高温高频器件。如BaTiO3类
7、陶瓷用于制造温度传感材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于制造光敏传感材料；ZnO系陶瓷，SiC 、BaTiO3系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等。,功能陶瓷的用途：,新型陶瓷,生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。,生物陶瓷材料,羟基磷灰石Ca10(PO4) 6(OH) 2陶瓷的 用途： 它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），用金属支撑加强的牙科种植体。,新型陶瓷,生物陶瓷人工听 小骨假体由羟基 磷灰石(HA)陶瓷 制成，表面具有 微孔，可使患者听力平均高2030dB，适用于慢性化脓性中耳
8、炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术。自1989年以来已临床应用800多例，通过省级鉴定。,新型陶瓷,透明陶瓷和纳米陶瓷 一般陶瓷因为内部有杂质和气孔而不透明。用高纯度的原料可获得透明陶瓷。这些透明陶瓷不仅光学性能优异，而且耐高温，熔点一般都在 2 000以上。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃。用透明陶瓷制造高压钠灯，发光效率比高压汞灯高一倍，使用寿命可达2万小时。,人们把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，便得到了纳米陶瓷。纳米陶瓷成功地解决了陶瓷易碎的问题。纳米陶瓷还具有延展性，如室温下合成的Ti02 陶瓷可以弯曲，塑性、韧性好。,纳米氧化锆陶瓷颗粒,新型陶瓷,单晶硅在日常生活中是电子计算机
9、、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。电视、电脑、冰箱、电话、手表、汽车，处处都离不开单晶硅材料，单晶硅作为科技应用普及材料之一，已经渗透到人们生活中的各个角落。 单晶硅在火星上是火星探测器中太阳能转换器的制成材料。火星探测器在火星上的能量全部来自太阳光，探测器白天休息-利用太阳能电池板把光能转化为电能存储起来，晚上则进行科学研究活动。也就是说，只要有了单晶硅，在太阳光照到的地方，就有了能量来源。 单晶硅在太空中是航天飞机、宇宙飞船、人造卫星必不可少的原材料。人类在征服宇宙的征途上，所取得的每一步进步，都有着单晶硅的身影。航天器材大部分的零部件都要以单晶硅为基础。离开单晶硅，卫星会
10、没有能源，没有单晶硅，航天飞机和宇航员不会和地球取得联系，单晶硅作为人类科技进步的基石，为人类征服太空作出了不可磨灭的贡献。 单晶硅在太阳能电池中的应用高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天，利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。,现代信息基础材料单晶硅,由硅石粗硅高纯多晶硅（纯度在9个“9”以上(99.9999999以上)单晶硅 （1） 粗硅的制备：又称工业硅，纯度在9599的硅（反应要点 高温16001800）,（2）SiHCl3的制备 多用粗硅与干燥氯化氢在200以上反应：Si十3HCl=SiHCl
11、3+H2,（3）精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅 SiHCl3十H2=Si十3HCl,2、现代信息技术材料-单晶硅,SiO2(s)十2C(s)Si(s)十2CO(g),现代信息基础材料单晶硅,阅读：科学视野太阳能电池,现代信息基础材料单晶硅,讨论,1.高压合成金刚石的局限性？ 2.化学气相沉积法制造金刚石薄膜的原理是什么？,3.石墨、金刚石、C60新材料诞生新技术,石墨、金刚石和C60,碳的三种同素异形体的比较,金刚石,石墨,C60,石墨、金刚石和C60,注 意：,金刚石 石墨 C60 之间的关系？,碳的三种物质形态,石墨、金刚石和C60,碳的三种同素异形体的比较,石墨、金刚石
12、和C60,C60及其应用前景 C60的发现 1985年，美国科学家克罗托（H.W.K.kroto)等用质谱仪,严格控制实验条件,得到以C60为主的质谱图。由于受建筑学家布克米尼斯持富勒（BuckminsterFuller）设计的球形薄壳建筑结构的启发，克罗托（kroto)等提出 C60是由60个碳原子构成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形构成。其中五边形彼此不相连，只与六边形相连。随后将 C60分子命名为布克米尼斯持富勒烯（BuckminsterFuller）。由于C60分子的结构酷似足球，所以又称为足球烯（Footballene）除C60外，具有封闭笼状结构的还可能有 C28、C
13、32、C50、C70、C84、C240、C540等，统称为Fullerenes，中文译名为富勒烯。,石墨、金刚石和C60,C60的超导性 1991年，赫巴德（Hebard）等首先提出掺钾C60具有超导性，超导起始温度为18K，打破了有机超导体（Et）2CuN（CN）2Cl超导起始温度为12.8K的纪录。不久又制备出Rb3C60的超导体，超导起始温度为29K。表1-1列出了已合成的各种掺杂C60的超导体和超导起始温度，说明掺杂C60的超导体已进入高温超导体的行列。我国在这方面的研究也很有成就，北京大学和中国科学院物理所合作，成功地合成了K3C60和Rb3C60的超导体，超导起始温度分别为8K和28K。有科学工作者预言，如果掺杂C240和掺杂C540，有可能合成出具有更高超导起始温度的超导体。,石墨、金刚石和C60,人们对C60的研究还在继续，希望同学们加油，将来的某一天你也会在这方面获得巨大成功。,石墨、金刚石和C60,科学视野 技术进步对化学研究的影响 P56,石墨、金刚石和C60,小结,新型无机非金属材料,
